Peltier-Element

Ein Peltier-Element ist ein elektrisches Gerät, das unter dem Einfluss eines elektrischen Stroms eine Temperaturdifferenz an Arbeitsplätzen erzeugt. Das Wirkprinzip ist das Gegenteil von Seebeck. Es ist bemerkenswert, dass man die Anschlussklemmen des Thermoelements sowie die eigentliche Verbindung von Metallen an der empfindlichen Stelle des Sensors anrufen kann. Sie sollten nicht irregeführt werden, die Enden sind normalerweise mit dem Messkreis verbunden und berühren sich nicht.

Auswirkungen der Thermoelektrizität

21. Juli 1820 gilt als Wendepunkt in der Entwicklung der Geschichte: Oersted beschloss, seine Beobachtungen über die Auswirkungen des stromführenden Drahtes auf die Orientierung der Magnetnadel im Weltraum zu veröffentlichen. Weitere Entdeckungen folgen einer Reihe nach, wir sind an der Erfindung des ersten Galvanometers interessiert. Der Hersteller, Schweigger, nannte das Gerät einen Multiplikator für seine Fähigkeit, das Ergebnis der Wirkung mehrerer Drahtwindungen, die Strom auf einer Magnetnadel tragen, zu multiplizieren. Ein Jahr später( 1821) entdeckte der aus Estland stammende Physiker Seebeck die Thermoelektrizität. Es ist bekannt, dass das, was fünf Jahre später geschah, George Ohm geschah, um ein weltbekanntes Gesetz zu erhalten.

Die Literatur besagt, dass Seebeck einen Magneten mit zahlreichen Drahtumdrehungen und eine magnetische Nadel als Detektor verwendet hat. Die Geschichte ist still, als die Wismut-Antimon-Spitze den Wissenschaftler traf, aber sie sagt aus, dass der Wissenschaftler das Tandem als Energiequelle angeschlossen hat und die Kompassschwingungen ständig sah, als er das Thermoelement in die Hand nahm. Es war wahrscheinlich nahe an der Entdeckung seiner eigenen übernatürlichen Fähigkeiten, aber daraus wurde geschlossen, dass die Wärme der Hände schuld war. Die Wissenschaftler erzielten hervorragende Ergebnisse, indem sie eine Beleuchtungslampe als Wärmequelle verwendeten.

Seebeck hat das Ergebnis des Experiments falsch interpretiert und die Entdeckung als magnetische Polarisation bezeichnet: Die Verschiebung des Heizpunkts zum anderen Ende änderte die Richtung der Pfeilablenkung. Infolgedessen wurde die falsche Theorie aufgestellt. Sie begannen zu behaupten, dass die Temperatur es ermöglicht, magnetische Eigenschaften direkt zu erhalten, und das Erdfeld ist auf die Aktivität von Vulkanen zurückzuführen. Georg Ohm wendete bereits kurz nach der beschriebenen Entdeckung die Thermo-EMK an, um ein bekanntes Gesetz abzuleiten, und 1831 wurde eine ähnliche Quelle in Elektrolyseversuchen verwendet.

Der Thermo-EMK-Wert ist klein. Normalerweise Dutzende von mV.Wenn Sie einen bestimmten Wert suchen möchten, verwenden Sie die Tabellen. Platin ist der Maßstab für Temperaturen im Klimabereich der Erde. Die Tabellen enthalten den Thermo-EMK-Wert für Thermoelemente aus dem angegebenen Metall und den untersuchten: Chromel, Alumel, Kupfer, Eisen. Werte sind positiv und negativ. Für Antimon beträgt es beispielsweise +4,7 mV und für Wismut minus 6,5.Die Werte addieren sich und es wird klar, dass sich die Temperaturdifferenz an den Enden eines Paares von 100 Grad EMF bei 12,2 mV bildet. Georg Om versuchte ähnliche Bedingungen zu schaffen, indem er das erste Ende in Eis und das zweite in kochendes Wasser tauchte.

Referenztabellen enthalten manchmal viele Werte. Zum Beispiel für unterschiedliche Temperaturen in Schritten von 100 Grad. Dann ist es möglich, die Werte für jede zu berechnen, aber auch, wenn für jede der angegebenen Temperaturen Null verwendet wird. Die Differenz zwischen dem größeren und dem kleineren Wert wird genommen. Bei einzelnen Thermoelementen bei einer bestimmten Temperatur ändert sich die Richtung der Thermo-EMK in die entgegengesetzte Richtung. Für Kupfer und Eisen liegt der Grenzpunkt beispielsweise bei 540 Grad Celsius.

Peltier-Effekt

Der Peltier-Effekt wird als Spiegelung der Thermoelektrizität bezeichnet. In diesem Fall überträgt der Strom Wärme vom ersten Ende des Thermoelements zum zweiten. Und mit Richtungswechsel und die erwärmte Seite wendet sich dem Gegenteil zu. Der Effekt wurde 1834 entdeckt und fehlinterpretiert. Nur vier Jahre später gelang es dem Landsmann Lenz, mit einem Thermoelement einen Wassertropfen einzufrieren und zu verdampfen. In jedem Fall zeigte der Strom seine eigene Richtung.

Der Effekt wird in der modernen Physik einfach erklärt. Angenommen, es gibt zwei unterschiedliche Halbleiter mit der gleichen Art von Leitfähigkeit. Die Elektronen haben jeweils einen anderen Energiewert und die Pegel sind in beiden Fällen nahe. Nun stellen Sie sich vor, dass der elektrische Strom anfing, Ladungen von einem Medium auf ein anderes zu übertragen. Was wird passieren? Elektronen mit hoher Energie, die sich in einer Umgebung mit geringen Konzentrationen befinden, geben dem Kristallgitter eine zusätzliche Menge und erzeugen eine Erwärmung. Im Gegenteil, wenn die Energie nicht ausreicht, wird sie vom Kristallgitter übertragen, was zur Abkühlung der Verbindung führt.

Wenn der Leitfähigkeitstyp von Halbleitern in einem Thermoelement nicht derselbe ist, wird der Effekt anders erklärt. Ein Elektron, das in das p-Material eintritt, tritt auf der Energieebene an die Stelle eines Lochs( positiver Ladungsträger).Infolgedessen verliert es die kinetische Bewegungsenergie und die Differenz zwischen dem aktuellen und dem vergangenen Zustand. Die freigesetzte Menge fließt zur Bildung von freien Ladungsträgern auf beiden Seiten des pn-Übergangs. Der Rest wird an das Kristallgitter gemeldet, von dem aus die Erwärmung erfolgt. Wenn die Energie zu Beginn weniger ist, beginnt die Abkühlung der Verbindungsstelle. Rekombinationsmedien werden von der Stromquelle aufgefüllt.

Die abgegebene oder absorbierte Wärmemenge ist proportional zur Ladung, die durch den Leiter geleitet wird. Der Koeffizient in der Formel der linearen Abhängigkeit wird Peltier genannt. Ein ähnlicher Wert wird für die Thermoelektrizität eingeführt, benannt nach Seebeck. Aus der Formel folgt, dass die freigesetzte Wärmemenge im Gegensatz zum Joule-Lenz-Effekt proportional zum ersten elektrischen Strom ist( Bestimmung der übertragenen Ladung).

Thomson-Effekt

Basierend auf den Seebeck- und Peltier-Koeffizienten prognostizierte Lord Kelvin( Thomson) 1856 einen neuen Effekt: Der in der Mitte erwärmte Leiter kühlt sich auf der einen Seite ab und geht heiß auf die andere. Die theoretischen Daten werden empirisch bestätigt und eröffnen den Weg für die Schaffung von Klimatechnik und anderen Dingen.

Die Idee von Lord Thomson: Wenn entlang des Leiters ein Temperaturgradient herrscht( siehe elektrisches Feld), beginnt die Wärme zu fließen, wenn Strom fließt. Dieses Gerät arbeitet nach dem Prinzip der Wärmepumpe. Die übertragene Leistung ist proportional zum Gradienten: Je steiler die Temperaturänderungen entlang der Leiterlänge sind, desto größer ist der thermische Effekt.

Der Proportionalitätskoeffizient in der Formel ist nach Thomson benannt und steht im Zusammenhang mit Thermoelektrizität und Peltier-Koeffizienten. Die Autoren haben oben Erklärungen nach der kinetischen( mikroskopischen) Theorie gegeben, die mit Energiezuständen von Ladungsträgern arbeitet. Lord Kelvin hielt an dem thermodynamischen( makroskopischen) Konzept fest, bei dem globale Strömungen und Kräfte berücksichtigt werden. Diese Unterscheidung gilt für viele Bereiche der Physik. Zum Beispiel kann das Ohmsche Gesetz für einen Kettenabschnitt als eine Variante einer thermodynamischen Sicht der Dinge betrachtet werden.

Genannt und Ähnlichkeiten. Im thermodynamischen Konzept werden die folgenden Konstanten massiv angewendet: Sprache zum Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten( Fourier-Gesetz) und isotherme Leitfähigkeit( Ohm-Gesetz).

-Folgen von

Eine Reihe nützlicher Gesetze, die sich auf das behandelte Thema beziehen:

1. In einem geschlossenen Kreislauf eines homogenen Materials aufgrund der Temperatur kann der elektrische Strom nicht aufrechterhalten werden. Diese Aussage trägt den Namen des deutschen Physikers Magnus. Wird manchmal als Gesetz einer homogenen Kette bezeichnet.
2. Das Gesetz der Zwischenmetalle besagt, dass die algebraische Summe der Thermo-EMK eines geschlossenen Kreises, der aus einer beliebigen Anzahl von Segmenten aus heterogenen leitfähigen Materialien besteht, Null ist, vorausgesetzt, dass die Temperatur der Abschnitte gleich ist.

mit thermoelektrischen und elektrothermischen Effekten

Der direkte und der inverse thermoelektrische Effekt fanden lange Zeit keine Anwendung. Der nützliche Wert erwies sich als zu gering. Allmählich haben Physiker Legierungen geschaffen, deren Eigenschaften die von Peltier und Lenz verwendeten reinen Metalle um zwei Größenordnungen überlappen. Nun wird die Thermoelektrizität angewendet. Rufen Sie den Kühlschrank-Thermostat oder die thermoelektrischen Kühlschränke ohne bewegliche Teile auf. Die Weltraumindustrie ist viel interessanter, wenn das Phänomen zur Kühlung von Fotowiderständen genutzt wird: Wenn die Temperatur nur um 10 Grad fällt, steigt die Empfindlichkeit solcher Sensoren um eine Größenordnung.

Ein weiterer Vorteil der beschriebenen technischen Lösungen ist die Kompaktheit und der geringe Energieverbrauch: Mit einem Gewicht von 150 g kühlt das Gerät den Thermistor um 50 bis 60 Grad. In der Unterhaltungselektronik unterstützt der Peltier-Effekt den Normalmodus von Prozessoren in der Systemeinheit von Personalcomputern. Ja, die technische Lösung ist es nicht wert, aber Geräuschlosigkeit ist garantiert. Zum Beispiel entwerfen Enthusiasten aus den 2010er Jahren Kühlschränke zu Hause. Ein hoher Wirkungsgrad kann aufgrund großer Verluste durch den Körper nicht erreicht werden. Mit dem Aufkommen neuer isolierender Baustoffe wird sich die Situation jedoch verbessern.

Interessanterweise beginnt der Effekt, wenn sich die Richtung des elektrischen Stroms ändert, in die entgegengesetzte Richtung. Heizung ist möglich. Aufgrund der beschriebenen Effekte werden Thermostate geschaffen, die die Temperatur bis zu Tausendstel Grad überwachen. Zu den vielversprechenden Bereichen zählen heimische Klimaanlagen und andere Kühlsysteme. Der auffälligste Nachteil ist der Preis. Und wir dürfen nicht vergessen, dass der Wirkungsgrad der Klimaanlage in der Regel größer als 1 ist. Diese Einheit arbeitet nach dem Prinzip einer Wärmepumpe. Lassen Sie den Wirkungsgrad mit zunehmender Umgebungstemperatur stark fallen, während Thermoelemente mit ihren 10% weit hinter den traditionellen Kühlmethoden liegen.

Andere Meinungen zum Ausdruck bringen. Der Akademiker Ioffe, von dem einige Maximen im obigen Thema verwendet werden, schlug vor, Systeme zum Heizen und Kühlen von Räumen als Split-Systeme zu schaffen. In diesem Fall tritt eine Komplikation auf, wie bei typischen Conditionern, aber der Wirkungsgrad erreicht 200%.Das bedeutet: Während des Erhitzens wird zum Beispiel eine wärmeabsorbierende Verbindung draußen platziert und die sich entwickelnde Verbindung wird innen platziert. Es ist nicht einfach, die Wärme aus der Kälte herauszuschwenken, da die Technik Einschränkungen hat. Es ist jedoch nicht verboten, Wärmepumpen auf der Grundlage dieser Methodik herzustellen.

Zu den unbedingten Vorteilen von Klimasystemen, die das Peltier-Element verwenden, gehört die Fähigkeit, in die entgegengesetzte Richtung zu arbeiten. Im Sommer wird der Ofen klimatisiert. Es muss nur die Richtung des Stromflusses geändert werden. Bekannte gegenteilige Entwicklungen, entworfen, um Sonnenwärme in elektrische Energie umzuwandeln. Während solche Designs jedoch auf der Basis von Silizium gemacht werden, gibt es keinen Platz für Thermoelemente.

Materialien zur Herstellung von Thermoelementen

Natürlich sind herkömmliche Metalle nicht geeignet, um leistungsstarke Systeme zu erzeugen. Benötigt ein Leistungspaar von 100 µV bis 1 Grad. Im letzteren Fall wird eine hohe Effizienz erreicht. Die Materialien sind Legierungen aus Wismut, Antimon, Tellur, Silizium, Selen. Die Nachteile der Komponenten umfassen die Zerbrechlichkeit und die relativ niedrige Betriebstemperatur. Niedrige Effizienz fügt Einschränkungen hinzu, aber mit der Einführung der Nanotechnologie besteht die Hoffnung, dass der übliche Rahmen überwunden wird. Wissenschaftler aus vielversprechenden Bereichen bezeichneten die Entwicklung einer grundlegend neuen Halbleiterbasis mit wirklich einzigartigen Eigenschaften, einschließlich des genauen Wertes der Energieniveaus von Materialien.